JP4654299B2 - 走査型電子顕微鏡点収差計測アライメントチップ - Google Patents

Description

本発明は、走査型電子顕微鏡に設置する点収差を計測して調整するためのアライメントチップ及びアライメントパターンをインプリントにより形成するためのパターン形成用金型に関する。

近年、半導体集積回路は微細化，集積化が進んでおり、その微細加工を実現するためのパターン転写技術としてフォトリソグラフィ装置の高精度化が進められてきた。しかし、加工方法が光露光の光源の波長に近づき、フォトリソグラフィ技術も限界に近づいてきた。そのため、さらなる微細化，高集積化を進めるために、フォトリソグラフィ技術に代わり、荷電粒子線装置の一種である電子線描画装置を用いるようになった。
電子線を用いたパターン形成は、ｉ線，エキシマレーザー等の光源を用いたパターン形成における一括露光方法とは異なり、マスクパターンを描画していく方法をとるため、描画するパターンが多ければ多いほど露光（描画）時間がかかり、パターン形成に時間がかかることが欠点とされている。そのため、２５６メガビット，１ギガビット，４ギガビットと、集積度が飛躍的に高まるにつれ、その分パターン形成時間も飛躍的に長くなることになり、スループットが著しく劣ることが懸念される。そこで、電子線描画装置の高速化のために、各種形状のマスクを組み合わせそれらに一括して電子ビームを照射して複雑な形状の電子ビームを形成する一括図形照射法の開発が進められている。しかし、パターンの微細化が進められる一方で、電子線描画装置を大型化せざるを得ないほか、マスク位置をより高精度に制御する機構が必要になるなど、装置コストが高くなるという欠点があった。
走査型電子顕微鏡においても、この微細加工技術を点収差計測のためのアライメントチップ作製において使用しており、スティグマ調整用試料として、特に高精度観察用操作型顕微鏡には常設されている。しかし、この点収差計測用のパターンを作製するリソグラフィ技術は限界に近づきつつあり、新規なパターン形成法が必要になってきた。
これに対し、微細なパターン形成を低コストで実施するための技術が米国特許第５，７７２，９０５号等に開示されている。これは、基板上に形成したいパターンと同じパターンの凹凸を有する金型を、被転写基板表面に形成されたレジスト膜層に対して型押しすることで所定のパターンを転写するものである。特に、特開２００４−７１５８７号公報に記載のナノインプリント技術によれば、シリコンウエハを金型として用い、２５ナノメートル以下の微細構造を転写により形成可能であるとしている。

本発明者らは、走査型顕微鏡の点収差補正計測用の微細なパターンを形成可能とされるインプリント技術について検討を行ったところ、従来の微細な同心円柱積層状のアライメント用パターンを有するアライメントチップをインプリント技術で形成する際に以下の問題点があることが判明した。まず、微細な同心円柱積層状のアライメント用パターンを有する金型を新規に作成するためのリソグラフィ技術が容易ではなく、多くの時間とコストが必要となる。さらに、新しい金型を作製するに際しては、リソグラフィ技術を用いて、焦点位置を調整して不明暸な同心円ができる条件を見出す必要があり、再現性が乏しいため、同一の金型に多くの微細パターンを形成することが極めて困難である。
また、特許文献２では、金型の転写パターン構造として、多段の凹凸を形成する技術が開示されている。しかしながら、本発明者らが多段構造を有する金型を用いて転写実験を行ったところ、点収差補正計測に適した凹凸の側壁面の垂直性を得ることが困難であり、特殊な金型構造が必要であることがわかった。
本発明は、上述の課題を解決するものであり、走査型電子顕微鏡の点収差補正計測用のアライメントチップにおいて、低コストで簡便に作製が可能であり、点収差補正計測に適した新規なアライメントパターンを有するアライメントチップを提供することを目的とする。
また、本発明は、アライメントチップのアライメントパターンを高精度で、かつ低コストで作製する点収差補正計測アライメントチップのパターン形成用金型およびアライメントチップの製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、表面に凹凸パターンを有する走査型電子顕微鏡の点収差計測用のアライメントチップにおいて、前記凹凸パターンが円形あるいは多角形の閉ループ（同心円管あるいは多角形管形状）を構成する凸部又は凹部を有するアライメントチップを特徴とする。
また、表面に形成された凹凸パターンを被転写体に押し付けることで被転写体に前記凹凸パターンを転写するためのパターン形成用金型であって、前記凹凸パターンが円形あるいは多角形の閉ループを構成する凸部又は凹部を有する点収差計測アライメントパターン形成用金型を特徴とする。
また、走査型電子顕微鏡の点収差計測用のアライメントチップの製造方法であって、表面に円形あるいは多角形の閉ループを構成する凹凸パターンを有する金型を被転写基板に押し付ける工程と、前記被転写基板から金型を剥離して、前記被転写基板の表面に前記凹凸パターンを転写する工程とを有することを特徴とする。
本発明によれば、円管状もしくは多角形管状の凸部を設けたアライメントチップとすることで、この円管状もしくは多角形管状を構成する凹凸の壁面に電子線を照射することにより、点収差を補正することが可能となる。またこの円管状もしくは多角形管状の凸部は、その直径寸法を調整して、異なる直径の複数個の凸部をナノインプリントにより作製することが可能であるため、異なる倍率での電子顕微鏡使用時における点収差補正に対応することが可能となる。
本発明によれば、低コストで簡便に作製が可能であり、点収差補正計測に適した新規なアライメントパターンを有するアライメントチップを提供することができる。また、アライメントチップのアライメントパターンを高精度で、かつ低コストで作製する点収差補正計測アライメントチップのパターン形成用金型およびアライメントチップの製造方法を提供することができる。

第１図は、本実施形態の点収差計測用アライメントパターンの一例を示す断面構造の説明図、（ａ）は被転写構造体の断面図、（ｂ）は上部からの観察図である。
第２図は、金型の凹部円管直径部を裁断面とした金型の断面図である。
第３図は、異なる直径を有する円管群を有する被転写構造体によるアライメントチップの形状を示す一例である。
第４図は、異なる径を有する多角形管群を有する被転写構造体によるアライメントチップの形状を示す一例である。
第５図は、ナノインプリントにおけるパターンのループ内面積に対するパターン壁面への樹脂充填率の変化を示すグラフである。
第６図は、ナノインプリントにおけるパターンのループ高さに対する点収差計測完了までの測定回数を示すグラフである。

以下、本実施形態に係るナノインプリントパターン形成用金型について説明する。なお、ナノインプリントとは、数１００μｍから数ｎｍ程度の範囲の転写を意味している。
本実施形態に係るナノインプリントパターン形成用金型（以下、金型と略記する）は、被転写構造体にナノレベルのパターンを転写するためのものであり、被転写構造体にナノレベルのパターンを転写するためのパターン形成部を有している。このパターン形成部は点対称の構造を有し、電子線を用いたスティグマ調整と呼ばれる点収差補正ができる形状を有する凸部を形成するための複数の凹部微細構造を有する。点収差補正は予め電子顕微鏡内のコンピューターに組み込まれた点収差補正プログラムに従い、全方位における収差ずれを検出して電子線照射角をフィードバック制御するものである。そのための微細パターンはひとつの点対称な輪郭となる側壁を有する形状であればよい。例えば、内周直径５０ｎｍ，外周直径７０ｎｍの円管が高さ１００ｎｍで被転写体表面に形成された凸部である場合、スティグマ調整と呼ばれる点収差補正はこの円管における内周及び外周側面に照射した電子線が反射して形成される像の輝度最大点が、内周及び外周の半径差で示される壁面厚さである１０ｎｍに対して、偏差が２０％を超えた領域すなわち２ｎｍで反射電子線が検出された場合に、電子線照射レンズを制御して電子線の方向制御を実施する。この際に、同心円あるいは多角形の閉ループを構成する凹凸パターンを有する金型により、アライメントチップを形成することで、上記に示した側壁を有する形状が形成されるため、走査型電子顕微鏡において点収差補正が迅速に実施できる。また、このような側壁を有する円管は２００ｎｍピッチで格子状に複数配置されることにより、ナノインプリントによる転写が一部欠損した場合でも補償され、精度を保った点収差補正が可能となる。この被転写構造体を形成する金型は、その凹凸パターンが被転写構造体の凹凸を反転させたものとなるので、円管または多角形管が凹部の穴を形成する形状を有する。この金型に前記したパターン形成のための凹部を形成する方法は、目的とする形成部が形成できるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、フォトリソグラフィや電子線描画法，ナノインプリントによるレプリカ作製等、所望する加工精度に応じて適宜選択することができる。なお、パターン形成部が形成された金型の最表面には、被転写基板の転写パターン形成層との分離を容易にするための離型材層を設けてもよい。この離型材層としては、フッ素化合物，フッ素混合物などの耐熱性樹脂であることが好ましい。
本発明によれば、走査型電子顕微鏡の点収差補正を短時間で実施できる。また、測定倍率が異なる顕微鏡使用に際して、直径の異なる直径を有するアライメントチップを用いることで、観察倍率におけるスティグマ調整が可能となる。さらに、ナノインプリントにより、当該アライメントチップを作製することにより、点収差補正計測部品のコストを著しく削減できる。すなわち、予め、直径の異なる同心円管もしくは多角形管を形成する金型により、走査型電子顕微鏡の点収差補正の高精度・高効率化が可能となる。
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。

第１図は、本実施形態の点収差計測用アライメントパターンの一例を示す断面構造の説明図である。直径６ｉｎｃｈφ（≒１５ｃｍφ）×厚さ約０．５ｍｍのＳｉウエハ１ａに、スピンコータを用いて、熱可塑性樹脂レジストにより０．５μｍの塗膜１ｂを形成した。続いて、電子線描画装置ＪＢＸ６０００ＦＳ（日本電子製）を用い、電子線ビームＥＢで直接描画することにより露光し、現像することにより得た微細円管凹部の金型により、熱可塑性樹脂レジストに円管状のパターン１ｃを転写した。この被転写構造体を上部から見ると、一定のピッチで格子状に並んだ円管状の突起（凸部）１ｄがある。第２図に金型の凹部円管直径部を裁断面とした金型の断面図を示す。このように金型は内周直径５０ｎｍ，外周直径７０ｎｍの円管が深さ１００ｎｍで凹部２ａを有し、円管凹部の間隔は２００ｎｍピッチの格子状となっている。この金型はシリコン基板２ｂを電子線ビームで直接描画することにより形成している。なお、レジスト１ｂのパターンが数百ｎｍオーダー以上であれば、電子線ではなく、Ｋｒレーザー（波長３５１ｎｍ）等を用いてもよい。凹凸が形成されたレジスト１ｂをマスクパターンとしてＳｉウエハあるいはＮｉ金属のドライエッチングを行い、Ｓｉ表面あるいはＮｉ金属表面に凹凸を形成後、Ｏ_２アッシングによりレジスト１ｂを除去して金型を再度作製することもできる。以上の工程によって、直径１００ｎｍの円柱状凹部が一面に形成された被転写構造体が得られ、点収差補正計測アライメントチップが走査型電子顕微鏡に設置できた。
ここで、前記被転写基板の基板本体は、目的とする部材を形成できるものであれば特に限定されるものではなく、所定の強度を有するものであればよい。具体的には、シリコン，各種金属材料，ガラス，セラミック，プラスチックなどが好ましく適用される。
前記被転写基板の転写パターン形成層は、目的とする部材を形成できるものであれば特に限定されるものではなく、所望する加工精度に応じて選択される。具体的には、ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリビニルアルコール，ポリ塩化ビニリデン，ポリエチレンテレフタレート，ポリ塩化ビニール，ポリスチレン，ＡＢＳ樹脂，ＡＳ樹脂，アクリル樹脂，ポリアミド，ポリアセタール，ポリブチレンテレフタレートガラス強化ポリエチレンテレフタレート，ポリカーボネート，変性ポリフェニレンエーテル，ポリフェニレンスルフィド，ポリエーテルエーテルケトン，液晶性ポリマー，フッ素樹脂，ポリアレート，ポリスルホン，ポリエーテルスルホン，ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド，熱可塑性ポリイミド等の熱可塑性樹脂や、フェノール樹脂，メラミン樹脂，ユリア樹脂，エポキシ樹脂，不飽和ポリエステル樹脂，アルキド樹脂，シリコーン樹脂，ジアリルフタレート樹脂，ポリアミドビスマレイミド，ポリビスアミドトリアゾール等の熱硬化性樹脂、及びこれらを２種以上ブレンドした材料を用いることが可能である。これらの樹脂としては、走査型電子顕微鏡内でガスが発生しない樹脂や、走査型電子顕微鏡内における電子線照射分解反応を抑制した樹脂とすることが好ましい。なお、この転写パターン形成層は、樹脂に限定されるものではなく、無機ガラス，低融点金属などを用いることもできる。

第３図は異なる直径を有する円管群を有する被転写構造体によるアライメントチップの形状を示す一例である。同一基板内に異なる直径を有する円管を配置することにより、走査型電子顕微鏡の点収差補正計測に際して、拡大倍率を調整して生ずる点収差補正の誤差を低減できる。ここで、前記被転写基板の基板本体は、目的とする部材を形成できるものであれば特に限定されるものではなく、所定の強度を有するものであればよい。具体的には、シリコン，各種金属材料，ガラス，セラミック，プラスチックなどが好ましく適用される。

第４図は異なる径を有する多角形管群を有する被転写構造体によるアライメントチップの形状を示す一例である。同一基板内に異なる大きさの多角形管を配置することにより、走査型電子顕微鏡の点収差補正計測に際して、拡大倍率を調整して生ずる点収差補正の誤差を低減できる。ここで、前記被転写基板の基板本体は、目的とする部材を形成できるものであれば特に限定されるものではなく、所定の強度を有するものであればよい。具体的には、シリコン，各種金属材料，ガラス，セラミック，プラスチックなどが好ましく適用される。

ナノレベルのパターンを転写する金型において、転写される部材に円形あるいは多角形の閉ループの凹凸部を形成するため、フォトリソグラフィあるいは電子線直接描画法により、円管あるいは多角形管の外周によって形成される閉ループ内の面積が１００ｎｍ^２から１００００ｎｍ^２とするように凹部形状を形成した金型をナノインプリントに供する。この面積を有する金型により、被転写構成材の基板上にある樹脂は、もしくは樹脂自体が基板となる構造の樹脂は微細パターン内を流動充填できることがわかった。また、ループ内面積が６０ｎｍ^２以下となると充填率は７０％以下となる。そのため、点収差補正計測に必要な壁面傾斜角が８５度以上であるのに対して、ループ内面積が６０ｎｍ^２以下では８０度以下となり、点収差補正に適さないことがわかった。第５図にその結果の一例を示す。一方、円管あるいは多角形管の外周によって形成される閉ループ内の面積が１００００ｎｍ^２以上とすると１万倍以上の倍率における点収差補正に際しては、偏差を計測するに際して移動させる電子線ビームの距離が大きいために、高精度を保つ補正ができないことがわかった。

ナノレベルのパターンをナノインプリントにより転写することにより、被転写部材に円形あるいは多角形の閉ループの凹凸部を形成し、閉ループの凹部あるいは凸部と周辺の平坦部との段差を１００ｎｍから１０００ｎｍとしてナノインプリントによる樹脂の充填率を計測した。第６図にその結果の一例を示す。点収差計測までのパターン移動回数とは、点収差ができるかをひとつのパターンで実施後、形状の不良で不可能である場合は、となりのパターンを測定対象として選択し、電子線照射範囲を変更する操作の回数を示す。段差が５０ｎｍ以下では点収差の計測が不可能となり、壁面の高さとして少なくとも６０ｎｍ以上が必要であることがわかった。

ナノレベルの円管パターンを転写される部材において、円管が形成する閉ループの壁面の厚さである管厚が１０ｎｍから１００ｎｍとした場合、いずれの壁面厚さにおいても走査型電子顕微鏡の点収差補正計測が可能であることがわかった。この際、円管は点対称の多角形管でも可能である。

ナノレベルのパターンを転写する金型は、円管の凹部を有するニッケルもしくはニッケル合金から構成され、転写パターンの表面に離型のためのフッ素系分子層を有することにより、繰返し被転写構造体を作製できることがわかった。

被転写構造体は、所定の加熱によりガラス転移点に到達することで軟化する熱可塑性の樹脂から本質的に構成される。しかし、シリコンを基板としてその基板上に所定の温度の加熱作用により軟化する熱可塑性の樹脂より構成された転写パターン形成層とから構成されていても同様の微細パターンが転写できることがわかる。この際、熱可塑性樹脂の厚さは１μｍとすることで、円管状凸部が基板から乖離することなく形成保持できることがわかった。

Claims (8)

1. 表面に凹凸パターンを有する走査型電子顕微鏡の点収差計測用のアライメントチップにおいて、前記凹凸パターンが円形あるいは多角形の閉ループを構成する凸部又は凹部を有することを特徴とするアライメントチップ。
2. 請求項１に記載のアライメントチップにおいて、前記円形あるいは前記多角形の閉ループを構成する凸部又は凹部が少なくとも２つ以上形成されていることを特徴とするアライメントチップ。
3. 請求項２に記載のアライメントチップにおいて、直径が異なる前記閉ループを有することを特徴とするアライメントチップ。
4. 請求項１に記載のアライメントチップにおいて、前記閉ループを構成する凸部又は凹部の面積が１００ｎｍ²から１００００ｎｍ²であることを特徴とするアライメントチップ。
5. 請求項１に記載のアライメントチップにおいて、前記閉ループを構成する凸部又は凹部と周辺の平坦部との段差が１００ｎｍから１０００ｎｍであることを特徴とするアライメントチップ。
6. 走査型電子顕微鏡の点収差計測用のアライメントチップの製造方法であって、
   表面に円形あるいは多角形の閉ループを構成する凹凸パターンを有する金型を被転写基板に押し付ける工程と、
   前記被転写基板から金型を剥離して、前記被転写基板の表面に前記凹凸パターンを転写する工程と、
   を有することを特徴とするアライメントチップの製造方法。
7. 前記被転写基板が、所定の加熱によりガラス転移点に到達することで軟化する熱可塑性の樹脂から構成され、あるいは、シリコン基板と所定の温度の加熱作用により軟化する熱可塑性の樹脂より構成された転写パターン形成層とから構成されていることを特徴とする請求項６に記載のアライメントチップの製造方法。
8. 前記樹脂部が１μｍ以上の厚さを有することを特徴とする請求項７に記載のアライメントチップの製造方法。

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